Tài liệu báo cáo bài tập lớn môn điện tử số

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN ĐIỆN TỬ SỐ Bài số 11: Thiết kế 1 khối ALU 4 bit thực hiện các phép tính toán học và logic Mô hình hệ thống Thực hiện chức năng logic: AND,OR,NOT,NAND,NOR,XOR,XNOR Thực hiện các phép toán: cộng, trừ, nhân, chia. Giảng viên hướng dẫn: ThS. TRẦN THÚY HÀ Nhóm Sinh viên thực hiện: TRỊNH CÔNG THỨC NGUYỄN VĂN HUY MAI XUÂN DUY NGUYỄN VIỆT TIẾN Hà Nội, tháng 5/2012 1 MỤC LỤC Bài 1: Thiết kế mạch thực hiện chức năng logic. 1.1 Khảo sát IC tách kênh/giải mã tiêu biểu 74LS138 1.2 Ứng dụng IC 74138 vào thiết kế mạch thực hiện chức năng logic. Bài 2: Thiết kế mạch thực hiện chức năng cộng trừ 2 số nhị phân 4 bit. 2.1 Tìm hiểu IC 74LS83 2.2 Thiết kế mạch cộng trừ sử dụng IC 74LS83 Bài 3: Thiết kế mạch thực hiện chức năng nhân 2 số nhị phân 4 bit. 3.1 3.2 Nhân hai số nhị phân Mạch nhân 2 số nhị phân 4 bit dùng 3 IC 74LS38 thiết kế như hình Bài 4: Thiết kế mạch thực hiện chức năng chia 2 số nhị phân 4 bit. 4.1 Chia 2 số nhị phân Bài 5: Tìm hiểu cấu tạo,tính năng của IC 74LS181 và khối ALU 4 bit. 5.1 Mục đích 5.2 Thiết kế ALU 2 Bài 1: Thiết kế mạch thực hiện chức năng logic: AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR, XNOR . 1.1 :Khảo sát IC tách kênh/giải mã tiêu biểu 74LS138  74LS138 là IC MSI giải mã 3 đường sang 8 đường hay tách kênh 1 đường sang 8 đường thường dùng và có hoạt động logic tiêu biểu, nó còn thường được dùng như mạch giải mã địa chỉ trong các mạch điều khiển và trong máy tính.  Sơ đồ chân và kí hiệu logic như hình dưới đây : Hình 1: Kí hiệu khối và chân ra của 74LS138  Trong đó o A0, A1, A2 là 3 đường địa chỉ ngõ vào o E1, E2 là các ngõ vào cho phép (tác động mức thấp) o E3 là ngõ vào cho phép tác động mức cao o O0 đến O7 là 8 ngõ ra (tác động ở mức thấp ) Hình 2: Cấu trúc bên trong 74LS138 1.2 Ứng dụng IC 74138 vào thiết kế mạch thực hiện chức năng logic. 3 A1B1 A2B2 A3B3 A4B4 0 0 0 1 1 0 1 1 U86 U93 U94 U95 OR OR OR OR U87 U90 U91 U92 AND AND AND AND IC 74LS138 U88 T1 1 T2 0 T3 0 1 2 3 6 4 5 T4 1 A B C Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 E1 E2 E3 15 14 13 12 11 10 9 7 U89 NOT 74LS138 0 1 1 1 OR Hình 3: mạch thực hiện chức năng logic OR sử dụng IC 74138 Khối Logic Đầu vào lựa chọn chế độ hoạt động T4 T3 T2 T1 AND 1 0 0 0 OR 1 0 0 1 NOT 1 0 1 0 NAND 1 0 1 1 NOR 1 1 0 0 XOR 1 1 0 1 XNOR 1 1 1 0 Khối logic Khối tính toán 1 1 1 1 0 x x x Bảng 1: bảng điều khiển lựa chọn chế độ hoạt động của mạch thực hiện chức năng logic 4 1 1 0 1 74LS138 6 4 5 A B C E1 E2 E3 74LS138 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 15 14 13 12 11 10 9 7 U34 U35 U36 U37 U43 U42 U44 U45 U50 U51 U52 U53 NOT NOT NOT NOT NAND NAND NAND NAND NOR_2 NOR_2 NOR_2 NOR_2 U58 U59 U60 U61 XOR XOR XOR XOR 12 OR 13 U25 OR 8 U20 OR 9 U19 OR 5 U18 AND 6 U29 AND U66:A U66:B U66:C U66:D 4077 4077 4077 4077 U71 U72 11 1 2 3 U28 AND 10 U17 U27 AND 4 T1 T2 T3 1 0 0 U26 3 IC giai ma dia chi 1 0 1 0 1 2 A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4 NOT U73 NOT U74 NOT U75 NOT U76 NOT U77 NOT T4 1 M 1 NOT U30 U31 U32 U33 U16 U15 U14 U13 U38 U39 U40 U41 U46 U47 U48 U49 U54 U55 U56 U57 U62 U63 U64 U65 U67 U68 U69 U70 AND AND AND AND AND AND AND AND AND AND AND AND AND AND AND AND AND AND AND AND AND AND AND AND AND AND AND AND 0 0 0 0 XOR 0 0 0 0 NOR 0 0 NAND 0 0 0 0 0 NOT 0 0 0 0 0 OR 1 0 1 1 0 0 0 0 AND XNOR Hình 4: Mạch thực hiện chức năng logic Bài 2: Thiết kế mạch thực hiện chức năng cộng trừ 2 số nhị phân 4 bit. 2.1 Tìm hiểu IC 74LS83 Để thiết kế mạch thực hiện chức năng cộng trừ ta sử dụng IC 74LS83 Hình 5:Kí hiệu khối và chân ra 74LS83 Trong đó 2 số 4 bit vào là A4A3A2A1 và B4B3B2B1 Số nhớ ban đầu là C0 Vậy tổng ra sẽ là C4S4S3S2S1, với C4 là số nhớ của phép cộng Ta cũng có thể nối chồng IC cộng lại với nhau để cho số bit gấp đôi. Khi đó bit MSB (C 4) của tầng đầu được nối tới ngõ vào nhớ ban đầu (C0) của tầng sau. 5 Hình 6: Mạch logic của 74LS83 Bảng 2: Bảng sự thật của mạch cộng 4 bit 74LS83: 2.2 Thiết kế mạch cộng trừ sử dụng IC 74LS83 Mạch cộng 4 bit: Sơ đồ 1: mạch cộng 4 bít 6 Đây là một mạch cộng song song vì các hàng được cộng cùng một lúc tuy nhiên như cấu trúc mạch ở trên thì các bit ra của tổng không phải là đồng thời bởi vì các phép cộng ở các bit cao thì chậm hơn do phải chờ bit nhớ ở phép cộng trước đưa tới. Tức là đã có trì hoãn làm giảm tính đồng bộ của mạch. Nếu thêm vào mạch cho phép cung cấp sẵn các bit nhớ để phục vụ cho các phép cộng ở các hàng được cùng lúc thì sẽ khắc phục được điểm này. Với công nghệ tích hợp cao, việc thêm mạch cung cấp sẵn các bit nhớ trở nên dễ dàng hơn khi đó mạch trở thành mạch cộng có số nhớ nhìn trước. Mạch trừ 4 bit: Mạch trừ 4 bit song song Trừ 4 bit nối tiếp Sơ đồ 2: mạch trừ 4 bít Mạch cộng trừ kết hợp 7 Bây giờ nếu thêm vào một số cổng logic cần thiết ta đã có 1 mạch có thể cộng hay trừ tuỳ theo ngõ vào điều khiển CT Khi CT = 0, các cổng XOR có 1 ngõ ở thấp nên cho số B qua không bị đảo, tức là mạch thực hiện phép cộng Khi CT = 1, các cổng XOR có 1 ngõ ở cao nên hoạt động như 1 cổng NOT, số B bị đảo, khi này mạch thực hiện phép cộng A + (-B) tức là phép trừ. Co3 là bit LSB của tổng được vòng trở lại (qua cổng AND) về Ci0; sẽ cho phép cộng nhiều bit. sơ đồ 3: Mạch cộng trừ dùng bù 1 Ngoài cách dùng bù 1, ta cũng có thể dùng bù 2 (lấy bù 1 rồi cộng thêm 1) để thực hiện phép toán trừ nhị phân kể cả số có dấu. Cách này được sử dụng phổ biến ở VXL và máy tính. Hình bên là mạch cộng trừ 2 số 4 bit dùng bù 2. Để ý là mạch khá giống như nó ở cách dùng bù 1 nhưng bit nhớ ra cuối cùng không cần đem về tầng đầu. Tổng hay hiệu ra ở dạng bù 2, muốn lấy đúng kết quả thì phải chuyển trở lại. Khi đó mạch cộng trừ nhị phân 4 bit dùng bù 2 sẽ như sau : sơ đồ 4: Mạch cộng trừ dùng bù 2 Ta có mạch cộng trừ 2 số 4 bít được mô phỏng bởi proteus như hình vẽ: 8 U77 1 Dieu Khien Cong (M=0) Va Tru (M=1) M NOT 0 U30 U31 U32 U33 U16 U15 AND AND AND AND AND AND 0 0 0 0 0 0 AND OR Ket Qua Cong / Tru U79 74LS38 0 1 1 1 1 S1S2S3S4C4 U78 14 C4 C0 B4 B3 B2 B1 15 2 6 9 S4 S3 S2 S1 A4 A3 A2 A1 13 U80 XOR 16 4 7 11 U81 XOR 1 3 8 10 U82 XOR 74LS83 XOR Hình 7: mạch thiết kế cộng trừ 4 bit M Phép Tính Biểu Thức M=0 Cộng A4A3A2A1+B4B3B2B1=C4S4S3S2S1 M=1 Trừ A4A3A2A1- B4B3B2B1=S4S3S2S1 Bảng3: Bảng điều khiển tính năng cộng trừ: Ví dụ: Cộng: 11(1011) + 5(0101) = 16(10000) Trừ: 11(1011) - 5(0101) = 6(0110) Bài 3: Thiết kế mạch thực hiện chức năng nhân 2 số nhị phân 4 bit. 3.1 Nhân hai số nhị phân Phép tính nhân trong hệ nhị phân cũng tương tự như phương pháp làm trong hệ thập phân. Hai số A và B được nhân với nhau bởi những tích số của các kí số 0 và 1 của A và B: với mỗi con số ở B, tích của nó với số một con số trong A được tính và viết xuống một hàng mới, mỗi hàng mới phải chuyển dịch vị trí sang bên trái 1 bit. Tổng của các tích cục bộ này cho ta kết quả tích số cuối cùng. Ví dụ: 9 x 6 = 54 (1001 x 110 = 110110) Để dễ hiểu, bạn xem 2 hình dười đây, hình thứ nhất biểu diễn cách nhân 2 số thập phân và hình thứ 2 là cách nhân 2 số nhị phân. 9 Nhân 2 số thập phân Nhân 2 số nhị phân 10 3.2 Mạch nhân 2 số nhị phân 4 bit phải dùng 3 IC 74LS38 được thiết kế như hình sau: B4B3B2B1 A4A3A2A1 P1 U24 ? ? ? ? ? ? ? ? P8P7 U83 AND U84 AND U1 14 C4 U85 C0 B4 B3 B2 B1 15 2 6 9 S4 S3 S2 S1 A4 A3 A2 A1 13 16 4 7 11 AND AND 1 3 8 10 U23 U22 74LS83 AND U21 AND U2 14 C4 C0 B4 B3 B2 B1 15 2 6 9 S4 S3 S2 S1 A4 A3 A2 A1 U12 13 AND 16 4 7 11 1 3 8 10 AND U4 U3 14 C4 C0 B4 B3 B2 B1 74LS83 15 2 6 9 S4 S3 S2 S1 A4 A3 A2 A1 13 16 4 7 11 U5 AND U6 AND 1 3 8 10 U7 AND 74LS83 U9 AND U10 AND U11 AND U8 AND AND Hình 8: mạch nhân 2 số 4 bit VD: nhân 2 số 1101(13) x 0110(6) =01001110(78) Bài 4: Thiết kế mạch thực hiện chức năng chia 2 số nhị phân 4 bit. 4.1 Chia 2 số nhị phân Phép chia số nhị phân tương đối phức tạp hơn phép cộng, trừ và nhân. Cách chia số nhị phân cũng giống như chia 2 số thập phân, do đó các bạn cần nắm vững cách chia trên số thập phân, đồng thời cần nắm vững cách trừ 2 số nhị phân. Đầu tiên hãy xem hình 1 để nhớ lại cách chia 2 số thập phân, sau đó xem hình 2 các bạn sẽ hiểu cách chia số nhị phân. 11 Chia 2 số thập phân 12 Chia 2 số nhị phân Bài 5: Tìm hiểu cấu tạo,tính năng của khối ALU 74LS181. 5.1 Mục đích -Thực hiện chức năng logic: AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR, XNOR. - Độ dài các toán hạng là 4-bit. - Các ngõ nhập function-select gồm có: M , S0 ,S1 ,S2 ,S3 - Các tác vụ ALU thực hiện được cho trong bảng 1 S 3 S 2 S 1 S 0 Chức M năng T ác vụ A H L H H H A.B ND H H H L H A+B R L L L L H ~A O N 13 OT N L H L H H ~B OT L H L L H ~(A.B) AND L L L H H) L H H L H H L L H H (+) Bi) N ~(A+B N OR X A(+)B OR ~(Ai X NOR Bảng 4: Bảng chức năng của ALU cần thiết kế Sơ đồ 5:Sơ đồ khối của một ALU 4-bit 5.2 Thiết kế ALU Ta dùng nguyên tắc "chia để trị" để thiết kế ALU. Các này module hoá bản thiết kế thành các phần nhỏ hơn, dễ quản lý hơn và có thể tái sử dụng. Cách tiếp cần này giúp mọi thứ có tính hệ thống hơn và có thể phát triển những hệ thống phức tạp. ALU 4-bit là 4 ALU 1-bit Nếu xét về cấu trúc, ta có thể xem một ALU n-bit được cấu thành từ n ALU 1-bit. Như vậy để thiết kế một ALU 4-bit, ta chỉ cần thiết kế một ALU 1-bit. Sau đó, có thể ghép nối 4 ALU 1-bit này lại với nhau để tạo thành ALU 4-bit. Mỗi ALU 1-bit như vậy được gọi là một bit-slice. Cách này có tính sử dụng lại rất cao và được dùng khá nhiều trong kỹ thuật thiết kế phần cứng, chẳng hạn thiết kế bộ nhớ. Để thiết kế một bit-slice, có nhiều cách khác nhau. Một cách có thể là viết bảng sự thật để thiết kế. Bảng này có 8 ngõ nhập (M, S3 , S2 , S1, S0, C0, Ai, Bi) và hai ngõ xuất là Fi và Ci+1. Cách này nếu viết bằng tay thì khá công phu, nhưng hiệu quả. ALU gồm A v L Nếu xét về chức năng, ta có thể phân ALU thành hai phần chuyên biệt, một về logic và một về toán học. Sau đó, có thể dùng một MUX 2:1 để kết hợp hai khối này. Cách này có ưu điểm là 14 thiết kế từng khối nhỏ sẽ dễ hơn so với thiết kế một bit-slice, vốn cần thiết kế một ALU hoàn chỉnh. Hình sau thể hiện sơ đồ khối của một bit-slice ALU thực hiện theo ý tưởng này: Sơ đồ 6:Sơ đồ khối của một ALU phân theo chức năng Những việc cần làm: Thiết kế MUX Những việc sau đây nên làm trước:    Thiết kế MUX: bộ phận này được dùng nhiều và nên được thiết kế sẵn. Sau khi thiết kế, ghi lại chi tiết vào bản báo cáo thí nghiệm Thiết kế bộ phận xử lý logic: có thể lựa một trong các cách sau, tuy nhiên phải nêu được nguyên nhân tại sao lại chọn cách đó. . Sử dụng các cổng logic và MUX 4:1 Thiết kế bộ phận xử lý toán học: vẫn có thể dùng nhiều cách khác nhau. Cách khá hay là dùng lại các module thiết kê trước đây như bộ Full Adder. Khi đó chỉ cần quan tâm đến xử lý đầu vào dùng cho bộ cộng này. Như hình 3, ta chỉ cần thiết kế thêm hai thành phần A logic và B logic. Hai hành phần này có chức năng đưa ra các tín hiệu thích hợp tùy thuộc tín hiệu nhập S1 và S0. Để thiết kế hai thành phần này, cách thông dụng là dùng bảng sự thật, sau đó dùng bảng Karnaugh để tối ưu hóa hàm kết quả, và hiện thực trong Verilog với dạng instance các cổng. 15 Sơ đồ 7: Sơ đồ khối của bộ xử lý tóan học X S Y S i Ai (A 1 logic ) S 0 0 0 . 0 0 0 . 0 0 1 . 0 0 1 . 0 1 0 . 0 1 0 . 0 1 1 . 0 1 1 . 1 0 0 . 1 0 0 . 1 0 1 . 1 0 1 . 1 1 0 . 1 1 0 . 1 1 1 . 1 1 1 . 1 0 S 0 i Bi (B logic ) Bảng 5: Bảng sự thật cho hai khối A logic và B logic ALU 74LS181 A0 – A3 : dữ liệu nhị phân 4 bit vào (A = A3A2A1A0) Hình 9:Khối ALU 74LS181 B0 – B3 : dữ liệu nhị phân 4 bit vào (B= B3B2B1B0) CYN : số nhớ ban đầu vào (tác động ở mức thấp) S0 – S3 : Mã số chọn (S = S3S2S1S0) để chọn chức năng của ALU. M điều khiển kiểu (chế độ) hoạt động logic (M =1) hay số học (M = 0). Q0 – Q3 : dữ liệu nhị phân 4 bit ra tác động ở thấp (Q = Q3Q2Q1Q0). CYN + 4 số nhớ ra (tác động thấp). Ở phép trừ nó chỉ dấu của kết quả : 16 o Logic 0 chỉ kết quả dương. o Logic 1 chỉ kết quả âm ở dạng số bù 2. Ngõ số nhớ vào Cn và ngõ số nhớ ra CYN+4 cho phép nối chồng nhiều IC 74LS181. A = B : logic 1 ở ngõ vào này chỉ A = B, logic 0 chỉ A ≠ B. G (carry generate output) và P (carry propagate input) : hai ngõ này được dùng khi nối chồng các IC 74LS181. Hoạt động logic của 74181 được trình bày ở bảng chức năng dưới đây 17 B0 B1 B2 B3 1 0 0 1 S0 S1 S2 S3 1 0 0 1 IC 74LS181 U1 2 23 21 19 1 22 20 18 7 6 5 4 3 8 A0 A1 A2 A3 F0 F1 F2 F3 B0 B1 B2 B3 A=B CN+4 G P 9 10 11 13 14 16 17 15 0 0 1 1 0 0 CN S0 S1 S2 S3 M 74LS181 1 0 1 0 1 0 A0 A1 A2 A3 Cn M Hình 10: ALU 74LS181 Đầu vào lựa chọn chế độ hoạt động Khối Logic Khối số học S3 S2 S1 S0 Cn M AND 1 0 1 1 x 1 OR 1 1 1 0 x 1 NOT 0 0 0 0 x 1 NAND 0 1 0 0 x 1 NOR 0 1 1 1 x 1 XOR 0 1 1 0 x 1 XNOR 1 0 0 1 x 1 Cộng 1 0 0 1 1 0 Trừ(A-B trừ 1) 0 1 1 0 0 0 Nhân x x x x x x Chia x x x x x x Bảng 6: bảng điều khiển chế độ hoạt động của ALU 74181 18 Hình 11: cấu tạo mạch logic của ALU 74181. 19 BỔ SUNG HOÀN THIỆN MẠCH:  MẠCH CHÍNH 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 Logic Cong Tru Nhan 1 2 15 14 3 13 B A 1E 2E B4B3B2B1 U95 1C 2C A4A3A2A1 U79P 74LS155 U96 AND 2Y3 2Y2 2Y1 2Y0 1Y3 1Y2 1Y1 1Y0 0 1 0 1 B U97 12 11 10 9 4 5 6 7 0 0 1 1 0 0 A 0 1 0 0 IC 74LS155 Y0 Y1 Y2 Y3 0 0 1 0 IC GIAI MA DIA CHI 2 VAO 4 RA AB AND U98 AND U94 U93 U92 U91 NOT NOT NOT AND U99 NOT Y3 Y2 Y1 Y0 U100 AND U101 AND U102 MACH LOGIC U80 AND U81 AND AND U82 AND A1 U86 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4 AND AND U87 U88 AND AND U90 AND Tru (M=1) 1 MACH TRU 2 SO 4 BIT U89 U341 AND 74LS138 A B C E1 E2 E3 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 15 14 13 12 11 10 9 7 U25 OR U34 U35 U36 U37 U43 U42 U44 U45 U50 U51 U52 U53 NOT NOT NOT NOT NAND NAND NAND NAND NOR_2 NOR_2 NOR_2 NOR_2 U58 U59 U60 U61 XOR XOR XOR XOR U66:A U66:B U66:C U66:D 4077 4077 4077 U25D NOT C4 15 2 6 9 U75 NOT U76 S4 S3 S2 S1 AND U5D AND U 6D AND AND U9 1 3 8 10 A4 A3 A2 A1 AND U 8D XOR U27D 16 4 7 11 B4 B3 B2 B1 NOT U4D AND 13 C0 U74 74LS138 U26D U78P 14 U7D AND 74LS38 B-A NOT U3D AND S1S2S3S4 4077 ? ? ? ? U72 U73 U2D U28D Ket Qua Tru 12 U20 OR 8 U19 OR 13 U18 OR 5 U29 AND 9 U28 AND 1 U27 AND 6 U26 AND U71 11 1 6 4 5 4 T4 U17P 1 2 3 3 1 0 1 10 IC giai ma dia chi T1 T2 T3 2 AND U11D XOR AND U 10D XOR U12D 74LS83 NOT AND U77 XOR U13D NOT AND NOT U31 U32 U33 U16 U15 U14 U13 U38 U39 U40 U41 U46 U47 U48 U49 U54 U55 U56 U57 U62 U63 U64 U65 U67 U68 U69 U70 AND AND AND AND AND AND AND AND AND AND AND AND AND AND AND AND AND AND AND AND AND AND AND AND AND AND AND Tru (M=1) AND U14E 1 U30 AND U33E U109P U15E 5 6 7 NOT U16E U32E Ket Qua Tru ? XOR A-B XNOR NOT U17E U18E S1S2S3S4 AND_3 U29E AND_3 74LS38 ? ? ? ? ? ? ? ? ? NOR ? ? ? ? NAND ? ? ? NOT ? ? ? ? ? ? ? OR ? ? ? ? ? ? ? ? AND QA>B QA=B QAB A=B A - Xem thêm -